آزمایش‌های مکانیک خاک

آزمایش دانه بندی

آزمایش هیدرومتری

آزمایش تعیین حد روانی و خمیری خاک

آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک

آزمایش حد انقباض

آزمایش تعیین ارزش ماسه‌ای

آزمایش تعیین چگالی ویژه بخش جامد خاک

آزمایش تعیین وزن مخصوص خاک در محل به روش مخروط ماسه

آزمایش تعیین نسبت باربری کالیفرنیا

آزمایش تراکم آزمایشگاهی

آزمایش نفوذپذیری خاک

آزمایش تحکیم

آزمایش تعیین مقاومت فشاری تک محوری خاک

آزمایش برش مستقیم

آزمایش سه محوری

آزمایش دانه بندی (ASTM D 421 ) :

توزیع اندازه دانه‌های خاک از اهمیت ویژه‌ای در تعیین رفتار ژئوتکنیکی خاک برخوردار بوده و بر پارامترهایی از قبیل میزان نفوذپذیری، خصوصیات خمیری و مقاومت خاک تاثیرمی‌گذارد. استفاده از خاک به عنوان فیلتر، زهکش و یا اختلاط آن با آهک، سیمان، گچ و سایر افزودنیها نیازمند شناخت دقیق دانه بندی خاک است. در این آزمایش توزیع کمی اندازه دانه‌های خاک انجام می شود.
ذرات درشت تر از 0/075 میلیمتر (مانده روی الک 200) را درشت دانه می نامند که توزیع آنها به وسیله سری الک ها انجام می شود. شن و ماسه در ردیف خاکهای درشت دانه قرار میگیرند. ذرات ریزتر از 0/075 میلیمتر (رد شده از الک 200) را ریزدانه می نامند که توزیع آنها به وسیله آزمایش هیدرومتری (ASTM D 422) انجام می گیرد.
عمل الک کردن با تکان دادن جانبی و قائم الک ها انجام می گیرد به گونه ای که نمونه خاک همواره بر روی سطح الک حرکت کند. این عمل برای هر الک مشخص تا زمانی ادامه می یابد که با گذشت یک دقیقه، کمتر از یک درصد از جرم مانده روی الک از آن عبور کند. جرم خاک مانده روی هر الک را با ترازو وزن کرده و نتایج به صورت درصد مانده و عبوری از هرالک ارائه می شود. معمولا نتایج این آزمایش در یک نمودار و با مشخص نمودن درصد دانه‌های عبوری از هرالک نمایش داده می‌شود.

آزمایش هیدرومتری (ASTM D 421,ASTM D 422) :

هدف از انجام این آزمایش توزیع اندازه دانه‌های خاک ریزتر از 0/075 میلیمتر (رد شده از الک 200) به روش ته نشینی با هیدرومتراست. این روش مبتنی بر قانون استوکس است که مربوط به سرعت سقوط ذرات کروی شکل در مایعات می باشد.
برای انجام آزمایش، نمونه خاک به دو بخش مانده و رد شده از الک شماره 10 (یا سایر الکهای مشخص شده در استاندارد) تقسیم می شود. بخش مانده روی الک شماره 10 به روش الک کردن دانه بندی می شود. بر روی بخش رد شده از الک شماره 10، مقدار مشخصی محلول جدا کننده (هگزامتا فسفات سدیم) ریخته و با افزودن آب مقطر حجم آن را به 1000 میلی لیتر می رسانیم. پس از وارونه و راست کردن ظرف با سرعتی مشخص، هیدرومتر را در آن قرار داده و در فواصل زمانی مشخص قرائت های هیدرومتری انجام می شود.

آزمایش تعیین حد روانی و خمیری خاک (ASTM D 4318) :

به طور کلی رفتار خاک را می توان به 4 حالت تقسیم کرد: جامد، نیمه جامد، خمیری و روان. تعیین حد روانی و خمیری خاک از پارامترهای لازم در طبقه بندی خاک های ریزدانه محسوب می شود که هدف از این آزمایش، تعیین این پارامترها در خاک های دارای کانی های رسی است. میزان رطوبتی که در آن خاک از حالت نیمه جامد وارد حالت خمیری می شود را حد خمیری و میزان رطوبتی که در آن خاک از حالت خمیری به حالت روانی تغییر می‌کند را حد روانی می‌نامند.در آزمایش حد روانی نمونه رد شده از الک شماره 40 را پس از اصلاح رطوبت داخل جام برنجی دستگاه حد روانی قرار داده و با شیارکش شیار می زنیم. منظور از این کار دست یافتن به مقدار رطوبت نمونه ای است که درهر آزمایش در تعداد ضرباتی مشخص این شیار بسته شود. در آزمایش تعیین حد خمیری، رطوبت نمونه رد شده از الک شماره 40 را به گونه ای اصلاح می کنیم که بتوان با غلتاندن به کمک دست، فیتیله ای به قطر 3/2 میلیمتر ایجاد کرد. در پایان آزمایش، رطوبت متناظر با این نمونه را اندازه می گیریم.

آزمایش تعیین درصد رطوبت خاک (ASTM D 2216) :

میزان رطوبت خاک، بر برخی ویژگیهای خاک از قبیل مقاومت، نفوذپذیری، میزان نشست تاثیر گذار می‌باشد. هدف از این آزمایش تعیین میزان رطوبت خاک است . روش انجام آزمایش به این صـــــورت است که نمونه را پس از وزن کردن در گرمـــــخانه در دمای 5±110درجه سانتی‌گراد تا اندازه ای خشک میکنیم که وزن آن ثابت شود. بر اثر از دست دادن آب موجود در نمونه، وزن آن کاهش میابد. درصد رطوبت به صورت نسبت وزن آب موجود در نمونه به وزن نمونه خشک بیان می‌شود.

آزمایش حد انقباض (ASTM D 427) :

این آزمایش برای اندازه گیری حد انقباض خاک انجام میشود که به همراه حد روانی و خمیری، حدود اتربرگ خاک را تشکیل می دهند. حد انقباض که به شکل درصد رطوبت بیان می شود عموماً به صورت مقدار آب مورد نیاز برای پر کردن منافذ یک خاک چسبنده با حداقل نسبت منافذ تعریف می شود. به عبارت دیگر حد انقباض، حداقل درصد رطوبتی است که با کاهش بیشتر رطوبت نسبت به آن، حجم خاک کاهش نخواهد یافت. و می تواند برای ارزیابی پتانسیل کاهش حجم یا احتمال بوجود آمدن ترک در پروژه های دارای خاک چسبنده استفاده شود. برای انجام آزمایش، خاک رد شده از الک شماره 40 با درصد رطوبتی نزدیک به حد روانی بازسازی می شود. این خمیر اشباع در قالبی با حجم مشخص قرار داده شده و به آرامی خشک می شود و با اندازه گیری وزن و حجم خاک خشک شده پارامترهای مورد نظر محاسبه می شود.

آزمایش تعیین ارزش ماسه‌ای (ASTM D 2429) :

نسبت ماسه به ریزدانه ها (سیلت و رس) در خاک، یک عامل مهم در کارهای خاکی و ساختمانی محسوب می شود؛ زیرا وجود ماسه بیشتر در مقایسه با ریزدانه ها در زیر سازی راه ها و نیز در احداث سد های خاکی باعث پایین آمدن درصد آب بهینه و زودتر رسیدن خاک به حداکثر تراکم خود می‌شود. همچنین درصد بالای ریزدانه در آسفالت، موجب مصرف زیادتر قیر و در نتیجه سست شدن و وا رفتن آسفالت زیر بارهای وارده می شود. این پارامتر درساخت بتن نیز بر میزان مصرف آب، تراکم بتن و نفوذپذیری و مقاومت در برابر هوازدگی تاثیر گذار است. با توجه به اين كه در راه سازي نوع دانه بندي، نفوذ پذيري، جذب آب، تورم و نشست مسائلي است كه بايد بررسي شود،اين آزمايش در راه سازي كاربرد فراوان دارد.
در این آزمایش نسبت ارتفاع ماسه به ارتفاع کل خاک رد شده از الک شماره 4 (دارای ریزدانه کم)، در استوانه استاندارد برای یک حجم معین از خاک با روابط مربوطه تعریف می شود.

آزمایش تعیین چگالی ویژه بخش جامد خاک (ASTM D 854)(GS) :

چگالی ویژه بخش جامد خاک (GS) به صورت نسبت وزن خاک به وزن آب هم حجم آن تعریف می شود. این مقدار در محاسبه روابط جرمی- حجمی مانند نسبت تخلخل و درجه اشباع و همچنین محاسبه چگالی بخش جامد خاک کاربرد دارد. در این آزمایش از خاک رد شده از الک شماره 4 به یکی از دو روش مرطوب یا خشک شده در گرمخانه استفاده می شود. با مخلوط کردن خاک با آب با نسبت‌های مشخص و خارج کردن هوای محبوس داخل خاک به کمک پمپ خلأ یا مکش و سپس خشک کردن آن در گرمخانه، مقدار GS خاک در آزمایشگاه بدست می آید.

آزمایش تعیین وزن مخصوص خاک در محل به روش مخروط ماسه (ASTM D 1556) :

هدف از این آزمایش، تعیین وزن مخصوص خاک در محل پروژه برای خاک های با مصالح سنگی درشت دانه ناچیز است . این آزمایش را می توان برای تعیین وزن مخصوص و میزان رطوبت لایه های خاک در چاله‌های دستی، خاک های متراکم شده در اجرای زیرسازی جاده و بستر و در سایر موارد مشابه به کار برد. برای انجام آزمایش در خاک مورد نظر در محل پروژه گودالی حفر شده و مصالح گرفته شده از گودال را دریک ظرف می ریزیم. گودال را با ماسه غیر چسبنده که چگالی آن مشخص است (ماسه استاندارد) پر کرده و حجم آن را تعیین می کنیم. میزان رطوبت و وزن مخصوص خشک در محل با استفاده از این پارامترها بدست می آید.

آزمایش تعیین نسبت باربری کالیفرنیا (ASTM D 1883)(CBR) :

این آزمایش برای ارزیابی مقاومت بالقوه مصالح خاک بستر روسازی، لایه زیراساس و اساس شامل مصالح بازیافتی مصرفی در روسازی راه و فرودگاه کاربرد دارد. مقدار CBR بدست آمده از این آزمایش، بخش جدا نشدنی از چندین روش طراحی روسازی انعطاف پذیر است. از این آزمایش برای ارزیابی مقاومت مصالح رد شده از الک ¾ اینچ استفاده می شود.در این آزمایش از یک پیستون دایره ای برای نفوذ مصالح متراکم شده در یک قالب با نرخ ثابت نفوذ استفاده می شود. مقدار CBR ، نسبت بار واحد لازم برای نفوذ پیستون به اندازه 1/0 اینچ و 2/0 اینچ در خاک مورد آزمایش به بار واحد لازم برای نفوذ متناظر پیستون در مصالح استاندارد (سنگ شکسته خوب دانه بندی شده) می‌باشد.

آزمایش تراکم آزمایشگاهی (ASTM D 698,ASTM D 1557) :

خاکی که به عنوان خاکریز مهندسی (خاکریزی ها، بستر پی ها و بستر راه ها) ریخته می شود برای رسیدن به خواص مطلوب مانند مقاومت برشی مورد نظر و نفوذپذیری اندک باید تا رسیدن به وضعیت مطلوب متراکم شود. همچنین اغلب خاک های زیر پی نیز به منظور بهبود خواص مهندسی متراکم می شوند.
وقتي آب به خاك اضافه مي شود، ذرات خاك آب اضافه شده را به صورت لايه اي اطراف خود جذب مي كنند. بدليل نقش لايه آب جذبي در آسان تر كردن حركت ذرات نسبت به يكديگر، افزايش درصد رطوبت باعث آسان تر شدن تراكم خاك خواهد شد ولي با اضافه تر شدن مقدار آب از حد معيني، آب اضافه شده فضاي خالي بين دانه ها را پر خواهد كرد. به همين دليل درصد آب بهينه اي وجود دارد كه با يك انرژي تراكم معين، حداكثر وزن خاك در واحد حجم قابل دستيابي است..هدف آزمايش تراكم بدست آوردن درصد رطوبت مناسب براي عمليات اجراي تراكم خاكريزي و مشخص كردن دانسيته مورد انتظار از عمليات كوبش در محل اجرا مي باشد.
این آزمایش در دو نوع استاندارد واصلاح شده انجام می شود. برای انجام آزمایش یک نمونه خاک (که کمتر از 30% ذرات آن روی الک 3/4 اینچ باقی بماند) با رطوبت مشخص را در سه لایه درون قالبی با ابعاد 4یا 6 اینچ ریخته وتوسط کوبه ی 5/5 پوندی که از ارتفاع 12 اینچ (برای تراکم استاندارد) و کوبه ی 10 پوندی که از ارتفاع 18 اینچ (برای تراکم اصلاح شده) رها می شود متراکم می کنیم. با محاسبه وزن مخصوص خشک و تکرار این کار برای چند رطوبت دیگر (معمولا 4یا 5 نقطه) رابطه منحنی الخطی بین رطوبت و وزن مخصوص خشک بدست می آید که منحنی تراکم نامیده می شود.نقطه اوج منحنی ترسیم شده نشان دهنده ماکزیمم دانسیته خشک (MDD) و رطوبت متناظر با آن رطوبت بهینه(Wopt) را نشان می دهد.

آزمایش نفوذپذیری خاک (ASTM D 2434) :

این آزمایش به منظور تعیین مقادیر ضریب نفوذپذیری خاک انجام می‌شود. آزمایش به دو روش هد ثابت برای خاک های دانه‌ای و هد متغیر برای خاک های ریزدانه انجام می شود. در آزمایش نفوذپذیری به روش هد ثابت از خاک حاوی کمتر از 10% ریزدانه (عبوری از الک 200) استفاده می کنیم و با استفاده از دستگاه نفوذپذیری جریان آب با هد ثابت را در خاک ایجاد کرده و دبی جریان عبوری و زمان را با استفاده از زمان سنج یاددشت کرده و نفوذپذیری را محاسبه می کنیم. در آزمایش نفوذپذیری با هد متغیر، جریان آب با فشار متغیر در خاک به وجود آورده و مراحل را مانند آزمایش قبل تکرار می کنیم.
مقدار نفوذپذیری از رابطه زیر بدست می آید:
k=QL/Ath
که در آن:
K: ضریب نفوذپذیری
Q: مقدار آب تخلیه شده
L: فاصله مانومترها
A: مساحت سطح مقطع نمونه
t: مدت زمان تخلیه
h:اختلاف فشار مانومتر می‌باشند.

آزمایش تحکیم (ASTM D 2435) :

به فرآیند نشست خاک ریزدانه اشباع با گذشت زمان در اثر زائل شدن فشار آب حفره ای اضافه تحکیم می گویند. داده های بدست آمده از آزمایش تحکیم در تخمین مقدار و سرعت نشست های تفاضلی و کل سازه یا خاکریز به کار می روند. این تخمین ها اهمیت کلیدی در طراحی سازه های مهندسی و ارزیابی عملکرد آنها دارند. در این آزمایش یک نمونه خاک که از اطراف محصور شده با اعمال پله‌های تنش به صورت محوری بارگذاری می شود و هر پله تنش تا زمانی که فشار آب حفره ای به طور کامل زائل شود و میزان نشست متناظر با آن تنش تقریبا ثابت شود، حفظ می شود. این تفسیر برفرض اشباع بودن 100% خاک استوار است. با اندازه گیری نشست نمونه تحت هر پله تنش، داده های مورد نیاز برای تعیین رابطه بین تنش قائم و نسبت تخلخل یا کرنش بدست می آید و نمودار تنش- نشست و تنش- درصد تخلخل رسم می شود.

آزمایش تعیین مقاومت فشاری تک محوری خاک (ASTM D 2166) :

هدف اولیه از آزمایش تعیین مقاومت فشاری تک محوری خاک، تعیین مقدار تقریبی مقاومت فشاری خاک هایی است که دارای چسبندگی کافی هستند؛ به گونه ای که می توان آن‌ها را در شرایط محصور نشده آزمایش کرد. یکی دیگر از کاربردهای این آزمایش، تعیین پارامتر حساسیت خاک به صورت نسبت مقاومت فشاری محصور نشده نمونه‌ی‌ دست نخورده به مقاومت فشاری محصور نشده همان خاک با همان رطوبت و وزن مخصوص در شرایط بازسازی شده است. برای انجام آزمایش، ابعاد و وزن نمونه مطابق استاندارد اندازه گیری شده و در دستگاه بارگذاری بر روی صفحه پایینی قرار داده می شود و صفحه بالایی بدون اعمال بار بر روی سطح نمونه در تماس قرار می گیرد.گیج تغییر مکان در این شرایط صفر می شود. بارگذاری با سرعتی انجام می شود که 0/5 تا 2 درصد کرنش محوری در دقیقه حاصل شود به گونه ای که مدت زمان لازم برای گسیختگی نمونه درحدود 15دقیقه باشد. آزمایش زمانی متوقف می شود که نمونه گسیخته شود.نتایج آزمایش به صورت نمودار تنش- کرنش نمایش داده شده و میزان مقاومت فشاری تک محوری خاک تعیین می شود.

آزمایش برش مستقیم (ASTM D 3080) :

آزمایش برش مستقیم برای تعیین نسبتاً سریع مقاومت تحکیم یافته و زهکشی شده خاک مناسب است؛ زیرا مسیرهای زهکشی در کل نمونه کوتاه بوده و اجازه می دهد فشار آب حفره ای اضافی به سرعت مستهلک شود. نقطه ضعف عمده این آزمایش تحمیل صفحه گسیختگی به نمونه است که ممکن است لزوما ضعیف ترین صفحه نمونه نباشد.انجام آزمایش شامل قرار دادن نمونه در جعبه دستگاه برش مستقیم، اعمال تنش قائم از پیش تعیین شده، باز کردن قفل دو نیمه جعبه برش که نمونه در آن قرار دارد و اعمال برش از طریق جابجا کردن یک نیمه جعبه نسبت به نیمه دیگر با یک نرخ ثابت تغییر شکل برشی است.در حین آزمایش مقدار نیروی برشی، جابجایی جانبی نسبی و جابجایی قائم قرائت می شود. دوایر موهر برای هرکدام از داده های آزمایش در یک دستگاه مختصات ترسیم شده و پوش این دوایر رسم می شود، شیب این خط زاویه اصطکاک داخلی خاک وعرض از مبداء آن چسبندگی خاک می باشد.آزمایش زمانی متوقف می شود که مقدار نیروی برشی قرائت شده روند کاهشی را در پیش گیرد (نمونه گسیخته شود) ویا اینکه قرائت های کافی برای تعریف منحنی تنش برشی-جابجایی انجام شود.

آزمایش سه محوری ( ASTM D 7181,ASTM D 4767,ASTM D 2850) :

از آزمایش سه محوری برای تخمین پارامترهای مقاومت برشی خاک مانند C و ϕ به منظور استفاده در طراحی پی های سطحی و عمیق، دیوارهای حائل، خاکریزها و غیره استفاده می شود.آزمایش سه محوری نسبت به آزمایشهای دیگر روش پیچیده تر و قابل اعتمادتری برای تعیین مقاومت برشی خاکها می باشد . دلیل آن اینست که در آزمایش برش مستقیم خاک به اجبار از محل درزبین دو قسمت جعبه گسیخته می شود ولی در آزمایش سه محوری خاک از محل ضعیفترین صفحه خود گسیخته می شود. روند کلی این آزمایش به این صورت است که یک نمونه خاک که اغلب ارتفاع آن دو برابر قطر آن است درون محفظه ای قرار گرفته و سپس تحت تاثیر یک فشار همه جانبه قرار می گیرد که دراین حالت اگر قصد تحکیم نمونه را داشته باشیم شیرهای خروج آب بازگذاشته می شود تا نمونه تحکیم شود و فشار منفذی به صفر برسد. پس از این مرحله با اعمال بار قائم نمونه به گسیختگی می رسد دراین حالت اختلاف بار قائم و بار همه جانبه که به تنش انحرافی معروف است باعث گسیختگی نمونه می شود. درصورتی که قصد زهکشی نمونه وجود داشته باشد در این مرحله نیز شیرهای خروج آب باز نگه داشته می شود.این آزمایش با فشارهای جانبی مختلف انجام می شود سپس دوایر موهر حاکم بر هرکدام از آزمایشها در یک دستگاه مختصات ترسیم شده و پوش این دوایر رسم می شود، شیب این خط زاویه اصطکاک داخلی خاک وعرض از مبداء آن چسبندگی خاک می باشد.
آزمایش سه محوری به سه روش تحکیم یافته زهکشی شده (CD)، تحکیم یافته زهکشی نشده (CU) و تحکیم نیافته زهکشی نشده (UU) انجام می شود.

سه محوری CD:

در این آزمایش، نمونه ها به طور همسان تحکیم شده و تحت تنش با نرخ ثابت تغییر شکل محوری(کرنش کنترل شده) در شرایط زهکشی شده، تحت برش قرار می گیرند. مقاومت برشی خاک اشباع در تنش سه محوری به تنش های وارد شده، مدت زمان تحکیم، نرخ کرنش و پیشینه تنش وارد شده به خصوصیات خاک بستگی دارد. در این آزمایش پارامترهای مقاومت برشی تحت شرایط زهکشی شده اندازه گیری می شود و در بررسی پایداری دراز مدت شیبها و زمین زیر ساختمانها مورد استفاده قرار میگیرد.

سه محوری CU :

در این آزمایش، نمونه ها تحت فشار سیال محصور کننده در محفظه سه محوری قرار می گیرند. تفاوت این روش با روش CD در این است که نمونه ها به طور همسان تحکیم شده ولی زهکشی نمی شوند. این روش آزمایش داده های لازم برای محاسبه تنش های کل و موثر، تغییر شکل محوری و فشار آب منفذی را فراهم می آورد. از نتایج این آزمایش برای مدل کردن شرایط تحکیم یافت و زهکشی نشده از جمله شرایط پایداری سدهای خاکی در زمانی که آب پشت سد به سرعت تخلیه شود و سد در مرحله دوم فرصت کافی برای زهکشی نداشته باشد استفاده می شود.

سه محوری UU :

تفاوت این روش با روش های بالا در این است که به نمونه اجازه تحکیم و زهکشی داده نمی شود که مورد استفاده آن در تحلیل پایداری کوتاه مدت فونداسیون، دیواره‌های گود و شیبها است.. این روش آزمایش داده های لازم برای تعیین ویژگی های مقاومت زهکشی نشده و روابط تنش- کرنش و تنش های کل وارد شده بر نمونه برای خاک ها را فراهم می آورد. مقاومت فشاری تعیین شده با این روش را نمی توان در مواردی که شرایط بارگذاری در عمل تفاوت زیادی با شرایط آزمایش دارد به کار برد.